微波电路及设计的基础知识

1微波电路及设计的基础知识1.微波电路的基本常识2.微波网络及网络参数3.Smith圆图4.简单的匹配电路设计5.微波电路的计算机辅助设计技术及常用的CAD软件6.常用的微波部件及其主要技术指标7.微波信道分系统的设计、计算和指标分配8.测试及测试仪器9.应用电路举例2微波电路及其设计1.概述所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m～1cm(即30MHz～30GHz)之间的电路。此外，还有毫米波（30～300GHz）及亚毫米波（150GHz～3000GHz）等。实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”或“射频（RF）电路”等等。由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有很多不同之处和许多独特的地方。作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速度已经超过了1GHz。在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。以往传统的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。2.微波电路的基本常识2.1电路分类2.1.1按照传输线分类微波电路可以按照传输线的性质分类，如：3图1微带线图2带状线图3同轴线图4波导4图5共面波导2.1.2按照工艺分类微波混合集成电路：采用分离组件及分布参数电路混合集成。微波集成电路（MIC）：采用管芯及陶瓷基片。微波单片集成电路（MMIC）：采用半导体工艺的微波集成电路。图6微波混合集成电路示例图7微波集成电路（MIC）示例5图8微波单片集成电路（MMIC）示例2.1.3微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。其中，有源电路包括放大器、振荡器等；无源电路包括分路器、耦合器、移相器、开关、混频器和滤波器等。2.2常用的微波传输线电路组件和不连续性组件图9传输线段图10耦合线6图11开路线图12短路线图13直角拐弯线图14阶梯线7图15渐变线图16缝隙图17T型结图18十字结8其它还有一些如扇形线、Lange耦合器、交指电容和螺旋电感等等。2.3常用的微波元器件这里主要介绍一些常用的贴装无源器件和微波半导体器件。图19片状迭层电容及单层电容图20片状迭层电感及线绕电感图21片状电阻9图22贴装可调电容图23贴装电位器图24微波二极管（封装及芯片）10图25微波三极管和场效应晶体管（封装及芯片）图26微波单片集成电路（MMIC）（封装及芯片）112.4常用的微波介质基片我们经常使用的微波介质材料如表1所示。表1几种经常使用的微波介质材料名称介电常数（εr）备注聚四氟乙烯玻璃纤维基片2.7国产、进口陶瓷（Al2O3）基片(99%)9.6国产、进口微波复合介质基片可选国产RT/duroid58802.2Rogers公司RO40033.38Rogers公司TMM10I9.8Rogers公司RT/duroid®SeriesRO4000®SeriesTMM®Series图27Rogers公司生产的几种微波介质基片123.微波网络及网络参数3.1具有特定内容（含义）的特殊微波网络3.1.1平行耦合线定向耦合器4231图28平行耦合线定向耦合器3.1.2兰格（Lange）定向耦合器143268101214Frequency(GHz)-35-25-15-50DB(|S[2,1]|)LangeCouplerDB(|S[3,1]|)LangeCouplerDB(|S[4,1]|)LangeCoupler图29Lange定向耦合器3.1.3威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器133211819202122Frequency(GHz)WilkinsonPowerDivider-40-30-20-100DB(|S[1,1]|)~PDDB(|S[2,1]|)~PDDB(|S[3,1]|)PD图30功分器/合路器3.1.4阶梯阻抗变换器21图31阶梯阻抗变换器3.1.5微带线低通滤波器图32微带线低通滤波器3.1.6平行耦合线带通滤波器149101112131415-80-60-40-200freq,GHzdB(S(2,1))dB(S(1,1))图33平行耦合线带通滤波器3.1.7其它，如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等，也都具有固定（特定）的网络形式。3.2一般网络微波网络是由各种微波组件根据需要组合而成，所以网络的形式具有任意性。上面介绍的那些特殊网络只是其中一些典型的形式而已。一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如λg/4线。这一点，在设计宽带匹配电路时，需要引起注意。3.3网络参数我们经常使用S参数（即散射参数）来描述微波网络。以下面的二端口网络为例。图34二端口微波网络在图34所示的二端口微波网络中，a1和b1分别为埠1的归一15化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为埠2的归一化入射电压波和反射电压波。二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以表示为22212122121111asasbasasb（1）即21bb21aaS其中S22211211ssss（2）式（1）称做散射方程，S叫散射矩阵或散射参数。由式（1）可以得出二端口网络的S参数为：S11=0211aab，即当埠2匹配时（ZL=Z0），埠1的反射系数；S22=0122aab，即当埠1匹配时（ZS=Z0），埠2的反射系数；S12=0121aab，即当埠1匹配时，埠2到埠1的传输系数；S21=0212aab，即当埠2匹配时，埠1到埠2的传输系数。通过上面的分析我们可以看出，微波网络的S参数具有确定的物理意义。实际上，我们以往所经常使用的如Z参数、Y参数和H参数等均可以通过计算与S参数互相换算。但在微波频率上，只有S参数是可以测量出来的，这样也就解决了微波网络参数的测量问题。另外，对于端口数为N的多端口网络，我们同样可以得到类似于式（1）的表达式，这时S为N×N维的矩阵。164.史密斯（Smith）圆图Smith圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工具，且方便有效，在微波电路设计过程中会经常用到。另外，Smith圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式，可以视具体情况选用。图35Smith阻抗圆图Z=30+j25Ω图36Smith圆图的应用示例17图37图解用的Smith圆图标准图纸由图35我们可以看到，在Smith阻抗圆图中存在等电阻圆、等电抗线、纯电阻线、电感平面（jωL）、电容平面（1/jωC）、开路点、短路点和50Ω点等等。当然，相对应的在导纳圆图中也存在等电导圆和等导纳线等。185.简单的匹配电路设计举例晶体管放大器匹配电路设计示例6.微波电路的计算机辅助设计技术及常用的CAD软件自20世纪70年代以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进步。一方面是各CAD软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD软件产品，包括电原理图输入和微波电路的图形输入、电路的仿真和优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能，并有许许多多的电路模型库、组件库、半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供选择，应该可以说是功能强大、使用方便、应有尽有。而另一方面，微波电路CAD软件也已被广泛应用于各种微波电路的设计，并成为微波工程师必须掌握的设计工具。6.1常用的微波电路CAD软件微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类：①线性/非线性微波电路仿真软件；②2.5D平面电路电磁场仿真软件；③3D电磁场仿真软件；④系统仿真软件；⑤专用电路的设计软件。⑥排版软件表2主要的微波电路CAD软件简介序号名称主要性能厂商1ADS综合软件包Agilent192Serenade综合软件包Ansoft3MWOffice线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWR4GENESYS线性/非线性电路、滤波器设计等Eagleware5MMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEK6Momentum2.5D平面电路电磁场仿真Agilent7Ensemble2.5D平面电路电磁场仿真Ansoft8em2.5D平面电路电磁场仿真Sonnet9HFSS3D电磁场仿真Ansoft10MWStudio3D电磁场仿真CST11Symphony系统仿真Ansoft12Clementine共形天线设计Ansoft13Protel电路板布线PROTEL14AutoCAD电路板布线Autodesk6.2微波电路计算计辅助设计-简介微波电路计算计辅助设计（CAD）技术是电子设计自动化（EDA）技术的一个分支，用于射频及微波电路的计算机仿真和优化设计。6.2.1微波电路CAD的特点及主要内容与其它电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点：①必须有精确的传输线模型和各种器件模型；②有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具；③一般都具有S参数分析的功能。20在微波电路CAD技术中，各种传输线及其不均匀区模型、组件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等，在技术上的难度都非常大。微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析（功率压缩、交调和谐波特性等）、优化设计、容差分析、2.5D及3D电磁场仿真、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。6.2.2常用的分析方法线性电路：采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算。非线性电路：Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。电磁场仿真：常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。6.2.3优化给定电路的网络拓扑结构、各个组件的初始值，以及电路的设计指针的目标参数，CAD软件将自动改变各组件值，直到满足要求。CAD软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。当然，一些软件还提供了其它的优化方法供选择。6.2.4设计步骤微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：①根据技术性能指针的要求，选择半导体器件。②对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指针的要求，选择网络拓扑结构。21③根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。④确定（或计算）电路中各个组件的初始值。⑤根据技术性能指针的要求，设置优化目标（或参数）。⑥根据经验或试验性地选择若干优化变量（或组件）。⑦选择优化方法，并进行优化。⑧进行容差分析。⑨进行版图的设计并输出版图。⑩进行性能指针的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。6.2.5几点经验和建议①必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。②电路中各组件初始值的选择应尽量准确。这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。③对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。④关于优化变量（或组件）的选择，一方面可以根据自己的经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。特别是当组件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。⑤对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计达到全局最优。⑥在电路设计的过程中，必须要考虑组件标称值的因素。另22外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。6.3设计举例6.3.1例1：2GHz低噪声放大器的设计频率范围:1.95～2.05GHz；管子型号:AT-41411，为微波双极晶体管CAD软件：ADS图382GHz低噪声放大器电路230.000200.M400.M600.M800.M1.00G1.20G1.40G1.60G1.80G2.00G2.20G2.40G2.60G2.80G3.00G-20.0-16.0-12.0-8.00-4.000.0004.008.0012.016.020.0freq,HzdB(Smatrix(2,1))dB(